往復(fù)壓縮機(jī)活塞桿反向角計(jì)算及分析

張澤偉

摘要：往復(fù)活塞式壓縮機(jī)是社會(huì)中各行的大型工業(yè)都不可或缺的設(shè)備。尤其在石油相關(guān)行業(yè)中大量使用該種壓縮機(jī)，成為了該行業(yè)的核心設(shè)備。本文首先進(jìn)行往復(fù)式活塞壓縮機(jī)反向角以及其在變工況環(huán)境下的基于熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，在計(jì)算的基礎(chǔ)上得到了不同工況下的綜合活塞力圖，根據(jù)綜合活塞力圖分析分析了工況變化對(duì)反向角的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：往復(fù)壓縮機(jī);動(dòng)力計(jì)算;變工況;反向角

1?引言

反向角的反向程度大小與十字頭銷(xiāo)、銅套的損壞程度以及壓縮機(jī)工作正常與否有著密不可分的關(guān)系。銅套和十字頭銷(xiāo)工作中緊緊貼合且受到加速度大的改變沖擊，因此一個(gè)足夠的反向角用來(lái)讓他們得到充分的潤(rùn)滑、冷卻。倘若十字頭在十字頭銷(xiāo)所受到的合力作用下貼緊于活塞側(cè)，這時(shí)相對(duì)的一側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)縫隙。在重力、壓力相關(guān)因素作用下，潤(rùn)滑油流入該縫隙，潤(rùn)滑和冷卻該側(cè)的零部件[1]。若十字頭銷(xiāo)所受合力僅指向一個(gè)方向，并且十字頭銷(xiāo)自始至終壓緊在銅套的一側(cè)，那么受壓的另一側(cè)始終沒(méi)有間隙，冷卻和潤(rùn)滑狀況十分惡劣，十字頭銷(xiāo)和銅套便會(huì)迅速損壞，影響往復(fù)式壓縮機(jī)正常的工作。

2 反向角的定義

當(dāng)曲軸旋轉(zhuǎn)360度過(guò)程中，作用在十字頭銷(xiāo)和銅套而且和氣缸中心線(xiàn)方向一致的總負(fù)載分量，角度產(chǎn)生180度變化，這個(gè)負(fù)向載荷連續(xù)作用的時(shí)間段內(nèi)表征的曲柄轉(zhuǎn)角，叫做反向角。其中API618準(zhǔn)則確定反向角不得低于15度，ARIAL公司規(guī)定最小反向角不得低于25度，COOPER公司制定準(zhǔn)則其反向角不得小于30度[2]

3 往復(fù)式活塞壓縮機(jī)的動(dòng)力計(jì)算

在這里把L型往復(fù)式活塞壓縮機(jī)動(dòng)力計(jì)算程序作為引例，其具備如下功能：（1）初始數(shù)據(jù)部分：根據(jù)任務(wù)書(shū)得到原始數(shù)據(jù)。（2）熱力計(jì)算部分：根據(jù)初始數(shù)據(jù)計(jì)算有關(guān)熱力參數(shù)，為后續(xù)的動(dòng)力計(jì)算部分做一個(gè)鋪墊。（3）動(dòng)力計(jì)算部分：計(jì)算各級(jí)活塞壓縮機(jī)的往復(fù)慣性力、氣體力和摩擦力，進(jìn)而計(jì)算得到綜合活塞力和總切向力[3]。

往復(fù)式活塞壓縮機(jī)動(dòng)力計(jì)算初始數(shù)據(jù)截圖如圖1所示：

在第1列單元數(shù)據(jù)表中鍵入曲柄轉(zhuǎn)角α的數(shù)值，每隔5°進(jìn)行一次取點(diǎn)分析計(jì)算，從0°到360°共取73個(gè)點(diǎn)。根據(jù)公式分別作出活塞的位移x-α、速度c-α、加速度a-α的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)。

同樣借助于excel表格，計(jì)算往復(fù)慣性力并繪制一階、二階往復(fù)慣性力隨曲柄轉(zhuǎn)角變化情況;I級(jí)氣缸和II級(jí)氣缸氣體力隨活塞行程的變化情況。

綜合活塞力圖的繪制有助于更加直觀的看到綜合活塞力隨曲柄轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)，并且能看到一級(jí)綜合活塞力和二級(jí)綜合活塞力的受影響程度。同樣，也能從綜合活塞力圖中看到壓縮機(jī)反向角的大小，對(duì)于Excel軟件中直接計(jì)算得到的反向角也是一個(gè)檢驗(yàn)。在依次得到了氣體力、往復(fù)慣性力、往復(fù)摩擦力及其隨轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線(xiàn)之后，就可以疊加進(jìn)行綜合活塞力的合成了。新圖線(xiàn)是綜合活塞力P隨曲柄轉(zhuǎn)角α的變化圖線(xiàn)。如圖2所示：

3.1性能參數(shù)與反向角的關(guān)系

壓縮機(jī)在變工況條件下工作時(shí)，工況的變化會(huì)引起壓縮機(jī)活塞桿反向角的變化。其中相對(duì)余隙容積α、壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度T、吸氣壓力、排氣壓力、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n等五個(gè)性能參數(shù)是影響壓縮機(jī)反向角的最主要的幾個(gè)因素，針對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵因素借助于往復(fù)式活塞壓縮機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的模擬和研究，并分析原因然后總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律。規(guī)律可以用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用而且可為壓縮機(jī)的節(jié)能、安全穩(wěn)定運(yùn)行提供很好的理論依據(jù)。

（1）余隙容積α對(duì)反向角的影響關(guān)系

借助于Excel軟件依次鍵入不同的α值，從而得到不同反向角進(jìn)而生成相對(duì)余隙容積α—反向角關(guān)系曲線(xiàn)：可以明顯看到，隨著相對(duì)余隙容積α逐漸增加，反向角在逐漸變小;在0.06—0.14的范圍內(nèi)曲線(xiàn)陡降，反向角減小趨勢(shì)十分明顯。據(jù)此分析，盡可能減小相對(duì)余隙容積，（改變余隙容積可以影響容積系數(shù)λ，從而改變排氣量，進(jìn)而影響反向角）可以有效增大反向角。但是余隙容積不能越小越好，因?yàn)榱粲幸欢ǖ挠嘞度莘e可以有效避免活塞和氣缸的沖擊磨損，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命、提高安全系數(shù)。因此，在適當(dāng)范圍內(nèi)盡量減小相對(duì)余隙容積可以增大反向角。

（2）吸氣溫度T對(duì)反向角的影響關(guān)系

從10°C到50°C每隔10度選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)取樣分析;在保證其他因素不變的情況下，本曲線(xiàn)圖借助于Excel軟件依次鍵入不同的溫度值，從而得到不同反向角進(jìn)而生成的吸氣溫度與反向角關(guān)系曲線(xiàn)，可以明顯看到，隨著吸氣溫度的升高，一級(jí)氣缸和二級(jí)氣缸的反向角都在逐漸減小，且在吸氣溫度越高的情況下，曲線(xiàn)下降越陡峭。所以適當(dāng)選取進(jìn)氣溫度可以升高反向角。從兩條曲線(xiàn)上來(lái)看，吸氣溫度的改變對(duì)一級(jí)和二級(jí)反向角的影響不同，其中對(duì)末級(jí)即二級(jí)氣缸反向角影響明顯，所以通過(guò)這個(gè)規(guī)律可以有效指導(dǎo)壓縮機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，優(yōu)化資源配置并延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命。

（3）吸氣壓力Ps對(duì)反向角的影響關(guān)系

一級(jí)進(jìn)氣壓力Ps，從0.1MPa到0.275MPa每0.025MPa選去一個(gè)計(jì)算點(diǎn);在保證其他因素不變的情況下，借助于Excel軟件依次鍵入不同的壓力值，從而得到吸氣壓力Ps與反向角關(guān)系曲線(xiàn)，可以明顯看到，就一級(jí)氣缸來(lái)看，隨著一級(jí)進(jìn)氣壓力的升高，反向角先升高（升高幅度大，曲線(xiàn)陡峭）后降低（曲線(xiàn)過(guò)渡平緩），在0.175MPa左右達(dá)到峰值。二級(jí)氣缸反向角變化趨勢(shì)和一級(jí)大體相同，也在0.225MPa左右存在峰值，但是升高和降低階段變化趨勢(shì)不同（升高過(guò)程平緩，降低過(guò)程曲線(xiàn)變化陡峭）且在吸氣溫度越高的情況下，曲線(xiàn)下降越陡峭。對(duì)比二者我們可以明顯看到，二級(jí)氣缸的反向角的變化情況明顯滯后于一級(jí)。究其原因來(lái)看，吸氣壓力Ps的改變會(huì)改變級(jí)間壓比，最后影響綜合活塞力變化，進(jìn)而導(dǎo)致反向角變化。一級(jí)進(jìn)氣壓力過(guò)低或者過(guò)高，都會(huì)嚴(yán)重消耗壓縮機(jī)的使用壽命，增加能耗。所以適當(dāng)選取吸氣壓力可以有效增大反向角。

同樣的，排氣壓力對(duì)反向角的影響與之類(lèi)似，下面不再贅述。

（4）壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n對(duì)反向角的影響關(guān)系

從375r/min到475r/min每隔25個(gè)單位選取一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，在保證其他因素不變的情況下，借助于Excel軟件依次鍵入不同的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速值，從而得到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n與反向角的關(guān)系曲線(xiàn)。可以明顯看到，對(duì)于一級(jí)氣缸來(lái)說(shuō)，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n的增大，反向角先增大后減小，在380r/min左右出現(xiàn)峰值（峰值左側(cè)曲線(xiàn)升高趨勢(shì)明顯，峰值右側(cè)，曲線(xiàn)下降平緩）。而對(duì)于二級(jí)氣缸來(lái)說(shuō)，反向角一直隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n的增加而增大。究其原因總結(jié)來(lái)看，在其他因素不變情況下，轉(zhuǎn)速n會(huì)影響壓縮機(jī)排氣量Q，進(jìn)而影響綜合活塞力來(lái)影響反向角大小。所以在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，要適當(dāng)選取壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)速太大會(huì)引起壓縮機(jī)的震動(dòng)甚至引發(fā)喘振工況;轉(zhuǎn)速太小則無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速則既滿(mǎn)足上述要求，又會(huì)有較好的反向角。

4 改善往復(fù)壓縮機(jī)反向角的主要措施

（1）為了使壓縮機(jī)在工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)甚至發(fā)生機(jī)組故障情況，每當(dāng)往復(fù)壓縮機(jī)在工藝流程中組分發(fā)生改變時(shí)，需要對(duì)反向角的熱力計(jì)算部分和動(dòng)力計(jì)算部分進(jìn)行核算，進(jìn)而得到新的綜合活塞力從而得到反向角的數(shù)值大小。如果反向角過(guò)小，要控制相關(guān)工藝流程并且完善和改進(jìn)相關(guān)控制系統(tǒng)。

（2）改進(jìn)壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)。比如采用氣量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的壓力、溫度、液位、吸排氣量等因素，從而反饋得到吸、排氣閥的工作狀況，有效避免壓縮機(jī)組長(zhǎng)周期、高負(fù)載或者低負(fù)載下運(yùn)行[4]。

（3）壓縮機(jī)氣缸的合理布置也有很大影響。氣缸布置的合理，會(huì)有合適的余隙容積保障壓縮機(jī)在最佳條件下工作，能適應(yīng)操作工況大范圍的變化，提高壓縮機(jī)的安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Z Jiang，D K Harrison，K Cheng.Computer-aided design and manufacturing of scroll compressors[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，（5）：145-151

[2]陳海峰，石磊.基于Excel的往復(fù)壓縮機(jī)動(dòng)力計(jì)算[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2013，（8）：86-90

[3]鄧晶，鐘蔚，杜利.用解析法在Excel環(huán)境下進(jìn)行壓縮機(jī)動(dòng)力計(jì)算[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，（6）：57-78

[4]李錦龍，馮樂(lè)軍，宮蘭華等.基于復(fù)算性熱、動(dòng)力計(jì)算的往復(fù)式壓縮機(jī)參數(shù)分析[J].石油化工設(shè)備，2012，（5）：82-84